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北京化工大学硕士学位论文 p r o 肋u s d p 智能从站技术的研究及在油品测 量中的应用 摘要 随着企业信息化和自动化的需要，管理网络和底层控制网络实现 无缝连接显得极为迫切和重要。现场总线是应用在生产现场、在微机 化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为 开放式、数字式、多点通信的底层控制网络。因此，在众多行业的自 动化系统中具有广泛应用前景。 现场总线是工业领域发展中的新技术，也是当今自动化领域技术 发展的热点。国际电工委员会( i e c ) 在2 0 0 0 年1 月通过了i e c 6 1 1 5 8 国际标准，该标准包括8 种类型的现场总线标准：f f h 1 、c o n 仃o l n e t 、 p r o f i b u s 、p n e t 、f f h s e 、s w i 心e t 、w o d d f i p 及i n t e r b u s 。p r o f i b u s 为8 种现场总线中非常重要的一种现场总线，它是德国国家标准 d i n l 9 2 4 5和欧洲标准e n 5 0 1 7 0的现场总线， 由 p r o f i b u s d p p r o f i b u s f m s ，p r o f m u s p a 组成了p r o f i b u s 系 列。其中p r o f m u s - d p 研究得最多，应用得也最广泛，并且已被全 世界所接受。我国在这一领域的开发应用才刚刚起步不久，在系统应 用、产品开发等方面都处于起始阶段。基于这种现状，文中对 p r o f i b u s 通信协议作了深入研究，并且详细阐述了帧格式、服务类 型及传输过程。透彻分析了d p 从站的功能及它与主站通信的详尽过 程。并以p c 机和p r 0 6 b u s d p 智能从站为基础，采用基于p r o 舶u s d p 协议的从站芯片l s p m 2 配以双端口蝴和微处理器，构成 p r o 矗b u s d p 现场分布式测控系统。 p r o 舶u s d p 现场分布式测控系统可以在网络上进行测试和数据采 集，实现测试设备的远距离测试与诊断，使分散在不同地理位置不同 功能的测试设备联系在一起，有利于提高生产效率和共享信息资源。 为异构系统的数据交换模式进行了有益的探索。 关键词：现场总线，p r o f i b u s d p 扮布式测控系统，从站，双端口r a m i i i 北京化工大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho fp r o f i b u s d p i n t e l l i g e n ts l a v es t a t i o nt e c h n o l o g ya n d t h ea p p l i c a t i o ni nd e t e c t i n go i lp r o d u c t s a b s t r a c t w i mt h e d e v e l o p m e n to fe m e r p r i s e i i l f o m a t i o n i z a t i o na n d a u t o m a t i z a t i o n ，t h es e a m l e s sc o n n e c t i o nb e t w e e nm em a n a g e m e mn e t w o r k a n dt 1 1 eb 酣o ml a y e rc o n 乜0 in e t w o r ks e e m st ob ev e 呵u 毽e n ta n d i m p o r t a n t f i e l d b u s i sc a l l e da sc o m p u t e rl o c a ln e t w o r ki n 叫t o m a t i o n d o m a i l l i ti s t l l es v s t e mw h i c hi su s e di nt l l em a n u f a c t u r ef i e l da n d i m p l e m e r i t sm eb i d i r e c t i o n a ls e r i a l m u l d n o d ed i 西t a lc o m m u n i c a t i 衄 a m o n gm e a s l 矾蝴e n ta n dc o n 乜o le q u i p m e n t s a l s o ，i ti sn a m e da so p e na n d d i g i t a l b o t t o m c o m r o ln e m 0 r kw h i c hc 蚰 i m p l e m e n t m u l t i n o d e c o m m u n i c a t i o n t h e r e f o r e ， i tc a nb ed e v e l 叩e ds p r e a d l yi na u t o m a t e d s y s t e mi nm 锄ya s p e c t s f i e l d b u si san e wt e c l l l l o l o g ) ，i nd e v e l o p m e m ，a l s oi so n eo ft 王1 e f b c u s e so fm ec u n n tt e c h n i c a ld e v e l o d m e n ti na u t o m 砒i cf i e l d t h e i n t e m a t i o n a le l e c t r i c i a nc o m n l i 仕e e ( i e c ) p a s s e dm ei m e m a t i o n a lc r i t e r i o n o fl e c 6 1 1 5 8i nj a l l 2 0 0 1 ，r h i c h i n c l u d e d e i g h tt ) ，p e s o ff i e l db u 8 c r i t e r 主o n ，f f h l ，c o n 缸d l n b t ，p r 0 6 b u s ，p - 卜m t f f h s e ，s w i f n e t ， w b r l d f i pa i l di n t e r b u s p r ) f i b u si sm e v e 巧i l i l p o n a n to n eo fe i g h t 啪e s o f 矗e l db u sc r i t e r i o n i t 。s 也ef i e l db 咀j so fg e m a n i cn a t i o n a lc r i t e r i o n d i n l 9 2 4 5a n d e 硼印e a n c r i t e r i o ne n 5 0 1 7 0 p r o f i b u s d p p r o f i b u s - f m sa n dp r o f i b u s p af o m lt l l es e r i e so fp r o f i b u s t h e r e s e a r c ho np r o f i b u s d pi s t l l em o s ta l l d伽e a p p l i c a t i o no f p r o f i b u s - d pi s 龇m o s te x t e n s i v e a 1 1 di ti sa c c e p t e d b yt 1 1 ew h o l e 北京化工大学硕士学位论文 w o d d o u rc o u n t 叮h a sj u s tr e s e a r c h e di ti n 廿l i sd o m a i n 0 u rc o u l l t ui s j u s t e da t 吐1 ef i r s ts t 印i ns y s t e m 印p l i c a t i o na n dp m d u c t i o nr e s e a r c h b a s e d o nt h i sa c t u a l i t y t h i sp 印e ri n t r o d u c e 吐1 ep r o t o c o lo fp r o f i b u s b e s i d e s ， a l s oi n t m d u c et h em e s s a g e 疗a m ef o n n a t ，s e r 、，i c e 够p ea n dm ep m c e d u r eo f t r a n s m i s s i o n a n da n a l y z et l l e 矗m c t i o no fs l a v es t a t i o n ，s t a t em a c h i n ea 1 1 dt h e p r o c e d u r eo fc o m m u f l i c a t i o nw i t l lm a s t e rs 洲o nc l e a r l y t h ed i s t r i b u t e d f i e l dm e a s u r e m e n t & c o n t r o ls y s t e mo fp r o f i b u s d p ，i sf o m l e do np ca i l d i n t e l l i g e n ts l a v es t a 呖o no fp r o f l b u s d p a n di su s e dt h es l a v ec h i pl s p m 2 b a s e do np r o f i b u s - d pp r o t o c o lw i 仕ld o u b l ep o n sf l u 蝴 t h ed i s 仃i b u t e df i e l dm e a s u r e m e m & c o r l 缸o ls v s t e mo fp r o f i b u s d p c a i lc a r r i e do u 止也em e a s u r e m e m 蚰dda _ t ac o l l e c t i o no nn e t w o r k a n di tc a n a c c o m p l i s hr e m o t em e a s u r e m e n ta n dd i a g n o s i sf o re q u i p m e n t sa n dc o n n e c t m e a s u r e m e n te q u i p m e n t so fd i f f - e r e n t 向n c t i o ni nd i f r e r e n tp l a c et o g e t h e r i t 。su s e f i l lt oe 1 1 1 1 a 1 1 c e p r o “c t i o ne 缳c i e n c ya n dt h ed e g r e eo fs h 捌n g i n f o r m 砒i o nr e s o u r c e t h ep a p e re x p l o r e sd a t ae x c b 丑i 堰em o d ef o ri s o m e r i c s y s t e mp r o f i t a b l y k e y w o r d s ：f i e l d b u s ，p m 邱u s - d p ，d i s t r i b u t e dm e t e ra 1 1 dc o n t r 0 1s y s t e m ， s l a v es 铡o n ，d o u b l e - p o r t sr 啪 v 北京化工大学硕士学位论文 北京化工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 i i 学位论文作者签名：羡凌 。6 年6 月牛日 北京化1 二大学硕士学位论立 1 1 现场总线综述 第一章绪论 我国的工业控制体系大体经历了四代：基地式气动仪表控制系统、电动单元 组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统和集散控制系统d c s ，目前刚刚 兴起的是现场总线控制系统f c s 。 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分靠控制系统。它作 为智能设各的纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统， 并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、 监控、优化及控管体化的综合自动化功能。 由于现场总线适戍了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向， 促使自动化仪表、集散控制系统等产品面临体系结构和功能等方面的重大变革。 它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。 1 1 1 现场总线的技术特点c z 】 现场总线是3 c 技术( 计算机技术、通信技术和控制技术) 发展的产物，它把 微处理器置入了现场设备，使其具备数字计算和数字通信能力，提高了信息传输 精度和传输速度，为控制系统的信息交换和共享提供了必要的条件。简单的概括 现场总线技术有如下技术特点： ( 1 ) 系统的开放性开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的 共识与遵从。个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他 设备或系统连接。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。 现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。 ( 2 ) 互可操作性与互用性互可操作性，足指实现互连设备间、系统间的信 息传送与沟通；而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。 ( 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性它将传感测量、补偿计算、工程量处 理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即町完成自动控制的基本 功能，并可随时诊断设备的运行状态。 功能，并可随时诊断设备的运行状奄。 北京化上大学硕十学位论文 ( 4 ) 系统结构的高度分散性现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的 体系结构。从根本上改变了现有d c s 集中与分散相结合的集散控制系统，简化了 系统结构，提高了可靠性。 ( 5 ) 对现场环境的适应性工作在生产现场前段，作为工厂网络底层的现场 总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光频、射频、红外 线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满 足本质安全防爆要求等。 1 1 2 现场总线技术的优点 由于现场总线的上述特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从 设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出以下的优越性： ( 1 ) 节省硬件数量与投资由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直 接执行多种传感控制报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独 的调节器、计算单元等，也不再需要d c s 系统的信号调理、转换、隔离等功能单 元及其复杂接线，还可以用工控p c 机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资， 并可减少控制室的占地面积。 ( 2 ) 节省安装费用现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆 上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设 计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的 电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作 量。 ( 3 ) 节省维护开销由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力， 并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往实验室，用户可以查询所有设备的运 行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间， 同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。 ( 4 ) 用户具有高度的系统集成主动权用户可以自由选择不同厂商所提供的 设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品而被“框死”了使用设备的选择 范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹奠展。使系统集成过程中的 主动权牢牢掌握在用户手中。 ( 5 ) 提高了系统的准确性与可靠性由于现场设备的智能化、数字化，与模 拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。同时， 2 北京化工大学硕士学位论文 由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的 往返传输，提高了系统的工作可靠性。 1 1 3 现场总线技术的现状及其发展c j l 1 9 8 4 年，美国仪表协会( i s a ) 下属的标准与实施工作组中的i s a ，s p 5 0 开始 制定现场总线标准；1 9 8 5 年，国际电工委员会决定由p r o w a yw 础n gg r o u p 负责 现场总线体系结构与标准的研究制定工作；1 9 8 6 年，德国开始制定过程现场总线 ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 标准，简称为p r o f i b u s ，由此拉开了现场总线标准制定及其 产品开发的序幕。但统一的标准至今仍未完成。同时，世界上许多公司也推出了 自己的现场总线技术。但太多存在差异的标准和协议，会给实践带来复杂性和不 便，影响开放性和互可操作性。因而在最近几年里开始标准统一工作，减少现场 总线协议的数量，以达到单一标准协议的目标。各种协议标准合并的目的是为了 达到国际上统一的标准，以实现各家产品的互操作性。 国际电工委员会( m c ) 在2 0 0 0 年1 月通过了i e c 6 1 1 5 8 国际标准，该标准包 括8 种类型的现场总线标准：f f h 1 、c o n h o l n c t 、p r o f i b u s 、p 二n e t 、f f h s e 、 s 、v i f t n e t 、w j r l d f i p 及i i l t e r b u s 。预计在今后一段时间内，还会出现几种现场总线 标准共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。但发展共同遵从的统 一的标准规范，真正形成开放互连系统，是大势所趋。 1 2 课题的引入 随着油品测量需求的增长，油品各项参数的检测与计量变得愈来愈重要，性 价比高的油品计量系统是国内油品储运的急需。本课题就是为了在罐区、加油站、 油码头、炼油厂等工程领域的应用而提出来的。此外，本课题在陆地和海洋石油 的开采、储运、加工等领域，以及环境保护工程中具有广阔的应用前景。 1 2 1 现有油品计量的方法 储油罐需监测参数一般有液位、质量、密度、压力、流量、温度等。以液位 测量技术为例，目前较为实用的油罐液位测量技术和方法有人工检尺、浮子钢带 液位计、伺服式液位计、雷达液位计、静压式液位测量以及混和式计量管理系统 北京化工大学硕士学位论文 等。 ( 1 ) 人工检尺 目前人工检尺测量方法仍广泛采用，并且作为其他液位计性能校验的工具之 一。缺点是劳动强度大，同时存在不安全因素。 ( 2 ) 浮子钢带液位计 浮子( 光导电予式) 钢带液位计的准确度为1 0 皿。由于滑轮、盘簧机构与机 械计数器的摩擦力，这种液位计的可靠性较差。 ( 3 ) 伺服式液位计 伺服式液位计不仅可以测量液位，而且可以测量油水界位。在大于4 0 m 测量上 限的油罐上，一般可得到1 m m 的准确度。较高的准确度和可靠性使之可用于大多数 的液位计量，因而得到很多国家计量管理与关税机构的认可。 ( 5 ) 静压式液位测量法 静压测量法( h g t ) 是随着高准确度智能数字式压力变送器的问世而兴起的，内 置微处理器件可以对温度影响和系统偏差给予补偿，h g t 系统的优点是可以对油罐 进行连续质量测量。 上述的每一种测量技术各有优势，各种技术之间存在更多的互补性而不是孰 优孰劣。对于存量管理和贸易交接，如果需要测量的是质量，则静压法当属首选，但体 积测量在世界范围内仍是一种重要的手段，体积测量与质量测量的结合将具有更大 的优越性。标准化的现场总线能够在专用的油罐测量系统与其它系统的直接通信 方面起决定性作用。然而，决不能因为追求总线的标准化而牺牲测量的准确度。 1 2 2 油品计量急需解决的问题 目前国内油品计量方面的在线仪表较少，油品生产及储运现场使用的大多是 价格昂贵的进口仪表，但其功能单一，较难维护，其仪表精度会受现场诸多因素 的影响。以下问题急需解决： ( 1 ) 测量监控参数单一，不满足生产的实际需要。目前用于现场监测仪表大 多只能监测液位、温度等1 至2 种参数，且监测点少。而生产现场大多是十余米 高，容积在一万立方米左右的储罐，罐内油品的温度、密度、压力等参数呈明显 分布的趋势，只监测某一点的参数，不能全面准确反应罐内油品的实际状态。实 际生产需要能在线监测多点温度、压力、密度等参数的仪表，其测量的参数才更 接近实际状况。 4 北京化工大学硕士学位论文 ( 2 ) 现场工况复杂多样，仪表的适应性急待加强。油品生产储运现场存在着 各种形式的生产储运装置。按储罐的结构划分，有拱顶罐、内浮顶、外浮顶等形 式；按储罐的功能划分，有调和罐、储运罐等；按储罐的储运介质划分，有柴油 罐、汽( 轻质) 油罐、渣油罐等。针对如此复杂的工况，需设计适应各种工艺特 点的在线监测仪表，满足现场不同工况对监测仪表的要求。 ( 3 ) 价格昂贵，维护复杂，不能长期运行稳定。目前运行在现场的仪表很难 长期保持计量级精度的要求，维护复杂，价格高，不能满足大量的现场应用要求 1 3 本论文的主要研究内容 本文首先提出了现场总线技术的概念，并进一步阐述了其特点优点，然后分 析了课题的研究背景和意义。介绍了p r o f i b u s d p 技术的协议结构、基本功能和 组成。重点研究了p r o f i b u s d p 技术、i e c 6 1 1 5 8 国际标准、e n 5 0 1 7 0 标准及 s i e m e n s 公司的a s i c 芯片l s p m 2 的协议规范，在此基础上提出了通过l s p m 2 芯片 开发p r o f i b u s d p 智能从站接口的方案。选择合适的微处理器和l s p m 2 芯片设计 一种通用的p i f i b u s - d p 智能从站信号接口板。为了验证设计的接口板的通用性， 利用0 p c 技术、r s 4 8 5 协议转换技术将所设计的接口板应用在i o 开关量控制里， 设计了相应的接口电路，编写了应用程序，并将它与油品参数的综合监测仪综合 起来建立起一套完成的p r o f i b u s 智能网络控制系统。论文最后对该课题的工作进 行了总结，并对课题迸一步研究的思路作了探讨。 北京化工大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章p i m f i b u s 现场总线的技术研究 p r o f i b u s 是过程现场总线( p m c e s sf i e l d b u s ) 的缩写，是一种国际性的开放 式的现场总线标准，它主要由s l e m e n s 公司支持，符合欧洲标准e n 5 0 1 7 0 第二 卷，是i b c 现场总线标准的第三部分。目前世界上许多自动化技术生产厂家都为 它们生产的设备提供p r o f i b u s 接口。p 烈) f l b u s 已经广泛应用于加工制造、过 程和楼宇自动化。本章介绍了p r o f i b u s 现场总线的协议结构，并重点介绍了 p r o f i b u s d p 总线的概念和基本功能。“1 2 2p r o f i b u s 各层协议分析 2 2 1p r o f i b u s 的协议结构 p r o f i b u s 的层次结构基于i s o o s i 开放系统互联模型( g b 厂r 9 3 8 7 ) ，如图 2 1 所示。本标准定义了第一层( 物理层，p h y ) ，第二层( 数据链路层，f d l ) 和第七层( 应用层) 。第三六层未使用，以使系统开销最小和提高效率。5 a l i 应用层f m s r 讧a 7 表示层 l l i 会话层 传输层 无 网络层 数据链路层 f d l f m a l ，2 物理层 p h y 图2 1p r o f m u s 体系结构图 6 北京化一i ：大学硕士学位论文 2 2 2 物理层 p r o f i b u s 标准中定义了串行现场总线的技术和功能特性。串行现场总线主 要用来连接数字现场设备或中、低功能的系统，如传感器、执行机构、变送器、 可编程控制器( p l c ) 、数控装置( n c ) 、编程设备和本地人机接口等。p r o f m u s 分为d p 和p a 两种不同的物理标准，但它们采用的介质存取协议以及传输协议是 相同的，并且它们与应用层的接口也是一样的。 物理层是一种介质，包括长度、拓扑结构、总线接口、站点数和9 6 k p b s 1 5 m p b s 之间可变的数据传输速率，可以适应不同的应用。在用户接口上，具有共 同的存取方式、传输协议和共同的服务。本课题所采用的物理类型是d p 协议，是 基于e n 标准r s 4 8 5 制定的。其主要参数如下：“1 拓扑：线性总线，在两端有终端器，短截线o 3 m ，无分支； 介质：屏蔽双绞线； 总线长度：1 2 0 0 m ： 站点数：3 2 ( 主站，从站或中继器) ，站点数量可以通过中继器增加，一条总 线可允许的中继器最多为3 个，最多可接站点1 2 2 个； 数据传输速率：9 6 1 9 2 9 3 7 5 1 8 7 5 5 0 0 1 5 0 0 k p b s 。 2 2 3 数据链路层 三种p r o f m u s ( d p 、f m s 、p a ) 均使用一致的总线存取协议。该协议是通 过数据链路层来实现的。p r o f i b u s 总线存取协议包括：主站之间采用令牌传送 方式，主站和从站之间采用主从方式。主站是指在一个限定的时间内对总线有控 制权的设备；从站指只能响应主站请求，而对总线无控制权的设备， 令牌传递程序保证每个主站之间在一个确切规定的时间间隔内得到总线存取 权( 令牌) 。令牌报文是一种特殊的报文，它在主站之间传递总线存取权，令牌在 所有主站中循环一周的最长时间是事先规定的。在p r o f i b u s 中，令牌传递仅在 各主站间通信时使用，且在主站间按地址升序传递。 主从方式允许主站在得到总线存取令牌时可与其所属的从站通信。每个主站 均可向从站发送或索取信息。通过这种存取方法，可实现主站主站方式、主站 从站方式以及混和式配置。 7 北京化工大学硕士学位论文 2 2 3 1 帧结构 p r o f i b u s 按照国际标准i e c 8 7 0 5 1 制定帧字符和帧格式。每个帧由若干个 帧字符( 即u a r t 字符) 构成。每个u a r t 字符由1 1 个位组成：一个开始位( s t ) ， 总是为二进制“o ”；8 个信息位，高位先传送；一个奇偶校验位( p ) ；一个停止位， 总是二进制“1 ”。u u 江字符格式如下： 。b 1b 2b 3b 4b 5b 6b 7b 8 p 1 接收器的位同步总是从开始位下降沿开始的，即从“1 ”转换成“o ”时。开始 位和后继的各个位在一个位时间内被扫描。开始位应为“o ”，否则同步位失败并 停止。u a i h 字符终止于二进制“1 ”的停止位。如果停止位是“0 ”，则发出同步 错误或u a r t 字符错并报告。 传输规则： ( 1 ) 空闲时间相当于信号电平二进制“l ”： ( 2 ) 在每个帧传送前必须有3 3 个空闲位时间( 同步时间) ； ( 3 ) 在帧的ir a r t 字符之间不允许有空闲状态； ( 4 ) 接收器检查每个i i a r t 字符的开始位、停止位、奇偶校验位和每个帧的起 始界定符、结束界定符、d a 、s a 和f c s 。1 p r o f i b u s 主要具有如下四种形式的报文结构： 1 、无数据信息的固定长度帧 请求帧( r e q u e s t ) 格式如下： 匝正困亟匡巨圃 应答帧( a c l ( 1 l o w l e d g e ) 格式如下： 短应答帧( s h o r ta c k n o w l e d g e ) 格式如下： 圈 其中：s y n ：同步周期，至少有3 3 个空闲位； s d l ：开始分界符( 1 0 h ) ；d a ：目的地址；s a ：源地址； f c ：帧功能码；f c s ：帧校验序列；e d ：帧结束符( 1 6 h ) 8 北京化工大学硕士学位论文 s c ：单个字节； l ：帧中信息部分的长度，在这种帧类型中l = 3 ( d a 、s a 、f c ) 。 2 、有数据信息的固定长度帧 发送请求帧( s e n d 瓜e q u e s t ) 格式如下： 响应帧( r e s p 0 i l s e ) 格式如下： 其中s y n ：同步周期，至少3 3 个空闲位：s d 3 ：开始分界符( a 2 h ) ； d a ：目的地址；s a ：源地址；f c ：帧功能码； d a l au n i t ：数据信息，在该类型帧中固定为长度8 字节； f c s ：帧校验序列；e d ：结束分界符( 1 6 h ) ；s c ：单个字节； l ：固定长度l = 1 1 ( d a ，s a ，f c ，d 觚a u n i t ) 。 3 、具有数据信息的变化长度帧 因为在此种类型中，数据信息的长度是变化的，所以为了保证海明仍为4 ，在 固定帧头中加入了两次长度信息。该长度是从目的地址d a 到帧校验序列f c s ， 在接收过程中只有当这次长度相等时，才被认为是有效帧。 发送，请求帧( s e n d 瓜e q u e s t ) 格式如下： 响应帧( r e s n s e ) 格式如下： 其中s y n ；同步周期，至少3 3 个空闲位；s d 2 ：开始分界符( 6 8 h ) ： l e ：帧的长度，允许范围为4 2 4 9 ；l e r ：帧长度的重复： d a ：目的地址；s a ：源地址；f c ：帧功能码； d a r au n i t ：数据信息，在该类型帧中长度不固定，最大长度为2 4 6 ； f c s ：帧校验序列；e d ：结束分界符( 1 6 h ) ； l ：变字节长度为4 2 4 9 ( d a ，s a ，f c ，d a r au n i t ) 。 4 、令牌帧 令牌帧( t o k e l l ) 格式如下： 陌可五币而 其中s y n ：同步周期，至少3 3 个空闲位；s d 4 ：开始分界符( d c h ) ： d a ：目的地址；s a ：源地址。 9 北京化工大学硕士学位论文 以上帧格式中都包括地址字节d a 和s a ，p r o f i b u s 对地址有一定的规定。 1 2 7 作为广播地址，仅用在无须应答的请求帧中。所以从o 一1 2 6 共1 2 7 个地址可以 供主站和从站使用，但最好主站的地址不要超过3 2 ，而且每个系统中必须至少有 一个主站。 所有信息( 包括令牌信息) 在传输过程中确保高度安全，以免传输错误，海 明距离h d = 4 。h a m m i i l g 距离用作评价数据传输质量的判断，h d = 4 可以检查以 下的错误：字符格式错误( 奇偶校验，帧错误，超限) ；协议错误( 错误的起始 终止界定符) ；错误的帧校验字节；错误的报文长度。“1 2 2 - 3 2f d l 控制器 是各站点在通信中的主要执行者，在数据传输过程中p r ( ) f 1 b u s 采用混和式 的介质存取方式，包括令牌传输和主从方式两种，每次通信都是由持有令牌的主 站初始化的，令牌根据逻辑环的连接从一个主站传递到另一个主站，每个主站的 令牌持有时间是有一定限制的。【f 。j 除了持有令牌的站点外，其它站点在通常情况下监视所有的请求，只有当自 身被寻址时，才会做出响应，而且该响应必须在一个预定的时间内到达通信的发 起者，否则将重新发出请求。其中必须注意的是，无论是再次请求还是新的请求， 发起者都必须经过一个空闲的时间周期，否则系统将出现错误。如果经过多次重 启后，发送者仍为收到任何响应，被寻址的站点将被标识为“n o n o p e r a d o n a l ”。 f d l 控制器中最为关键的是它所处的状态，它决定了f d l 控制器的动作。对 于一个主站，f d l 控制器具有十一种状态，而从站只有两种。这十一种状态分别 是：州 l 、离线状态( o m i n c ) 2 、被动空闲状态( p 嬲s i v ei d l e ) ； 3 、听令牌状态( l i s o 眦t o k e n ) 4 、主动空闲状态( a c t i v ei d l e ) 5 、请求令牌状态( c l a i mt 0 k c l l ) 6 、使用令牌状态( u s et 0 k c n ) 7 、等待数据响应状态( a w a i td a t ar e s d o n ) 8 、检查存取时间状态( c h e c ka c c e s st i m e ) 9 、传递令牌时间( p 粥st o k e n ) l o 北京化工大学硕士学位论文 1 0 、检查令牌传输状态( c h c c k j b k e l l _ p a s s ) 1 1 、等待状态响应状态( a w a i l s t a t u s r e s p o n s e ) 刚刚上电后，无论主站还是从站的f d l 控制器都将进入“0 f i i c e ”状态，在该 状态下，f d l 控制器不会从总线上接受或发送任何信息，一旦操作参数根据协议 规定正确设置后，f d l 控制器从“o m c e ”状态进入“p 髂s _ l d l e ”或“l i s t e i l j o k e n ” 两种状态。 为了保证数据链路层的正确传输，差错控制是必不可少的，p r o f i b u s 也是 如此。传送过程中错误包括：帧错误、溢出错误、校验错误以及传输协议错误等 ( 如错误的分界符，无效的帧长度等) ，“ 为了防止无限制的等待或传输，在p r o f i b u s 的f d l 控制器中还定义了若干 个定时器，如目标传送定时器、实际传送定时器、超时定时器、同步定时器、空 闲时间定时器等，防止超时错误的发生。 2 2 4 应用层 p r o f i b u s 标准的应用层包括两个实体，即f m s ( 现场总线报文规范) 和l l i ( 低层接口) 。 p r o f i b u s 致力于与过程密切相关的自动化应用并制定了一个具有实时操作 能力的简单总线接口，使不同厂家生产的现场自动化部件在分布式系统中互联， 并保证部件间通信可靠，这样的系统成为开放系统。此外，p r o f m u s 协议易于 与较高层次的自动化系统集成( 制造自动化协议，m a n u t 曲n ga u t o m a t i o n p m t o c o l ，m a p ) ，只需极少的互联开销。u ” 应用层通过不同的应用领域定义专门的行规文件( 面向应用的功能标准) ，如 楼宇自动化、离散部件自动化、过程控制等等，使得在不同的应用领域可以实现 不同的系统组成和功能结构。 2 2 5p r o n b u s 组成 p r o f i b u s 由f m s 、d p 、p ：a 三个兼容版本构成。f m s ( f i e l dm e s s a g e s p c c i f i c a t i o n ) 构成应用层，用来解决车间级通用性通信任务；d p ( d e c e n t r a l i z e d p e r i 曲e m l s ) 是一种高速和便宜的通信连接，用于自动化控制系统和设备及分散m 之间的通信；p a ( p p 0 c e s sa u t o m a t i o n ) 用于过程自动化。p r o f i b u s 通信网络体 北京化工大学硕士学位论文 系结构主要分4 级，最低一级执行器变送器级采用p r o f i b u s p a 总线，现场一 级采用p r o f m u s d p 现场总线，车间级单元一级采用p r o f i b u s f m s 总线，工 厂一级使用工业e t l l 哪e t 网络。洱，5 1 2 2 6p r o n b u s 的传输技术【f 6 | 1 】 现场总线系统的应用在很大程度上取决于选用的传输技术，既要考虑一些总 的要求( 传输可靠，传输距离和高速) 又要考虑一些简便而又费用不大的机电因 数。当设计过程自动化时，数据和电源的传送在同一根电缆上。由于单一的传输 技术不可能满足所有的要求，因此p r o f i b u s 提供了三种数据传输类型： ( 1 ) 用于d p 和f m s 的r s 4 8 5 传输；( 2 ) 用于p a 的m b p 传输：( 3 ) 光纤。 其中r s 4 8 5 传输是p r o f m u s 最常用的一种传输技术，这种技术通常成为 h 2 。采用的电缆是屏蔽双绞铜线，共用一根导线对。适用于需要高速传输和设施 简单而又便宜的各个领域。 p r o f i b u s d p 和p r o f i b u s f m s 系统使用了同样的传输技术和统一的总线 存取协议，因而这二套系统可在同一根电缆上同时操作。 在p r o f i b u s p a 中所用的传输技术是m b p ( m a l l c h c s 把r 编码，总线供电 ( b p ) ) 。符合m b p 的传输技术能满足化工和石化工业的要求。它可保持其本征安 全性，并通过总线对现场设备供电。这种技术是一种位同步协议，采用曼彻斯特 编码形式，课进行无电流的连续传输，通常成为h l ，传输速率3 1 2 5 k b i t s ，是一 种低速总线。 光纤传输技术在p r o f i b u s 系统处于电磁干扰很大的环境下应用，同时光纤 导体的使用可以增加高速传输的距离。许多厂商提供了专用总线插头可将r s 一4 8 5 信号转换成光纤导体信号或将光纤导体信号转换成r s 4 8 5 信号。因此，在长距离 的高速数据传输中，系统可以用r s - 4 8 5 与光纤混和完成。 2 3p r o f i i i u s d p 技术简介 2 3 1p r o n b u s d p 的概念 d p 为d e c e n t r a l i z e dp 酬p h e r ) r 的缩写，即分散化外围设备。p r o f i b u s d p 主 要应用于现场设备级，它的响应时间从几u s 到几百m s ，数据传输速率为 1 2 北京化工大学硕士学位论文 9 6 k b p s 一1 2 m b p s ，传输的数据容量为每个帧多达2 4 4 个字节，传输介质为屏蔽双 绞线或光纤。p r o f m u s d p 町以广泛地应用于电气传动领域，低压电控配电成套 设备，数控加工设各，楼宇自动化等。 p r o f l b u s d p 协议是专为自动化工厂中的分布式1 ，0 设备和现场设备所要求 的高速数据通信而设计的。典型的d p 配置为单主结构，d p 主站和d p 从站之间 的通信是遵从主从原则的。也就是说当主站需要时，d p 从站仅仅可以变的主动一 些，d p 主站和从站之间的用户数据进行连续不断的交换而不需管用户的数据怎样。 2 3 2p r o f i b u s d p 的基本功能弧2 虹 p r o f i b u s - d p 用于设备级的高速数据传送，中央控制器通过高速串行总线同 分散的现场设备( 如、驱动器、阀门等) 进行通信。太多数数据交换是周期性 的；此外，智能设备也需要非周期性通信，以进行配置、诊断和报警处理。 中央控制器周期性地读取从站设备的输入信息并向从站设备输出信息，总线 循环周期必须要比中央控制的程序循环时间短。除周期性用户数据传输外， p r o f i b u s - d p 还提供了强有力的诊断和配置功能，数据通信是由主机和从机进行 监控的。具体的p i f i b u s d p 基本功能如下： ( 1 ) 传输技术 r s 4 8 5 双绞线电缆或光缆；波特率从9 6 k b p s 1 2 m b p s ； ( 2 ) 总线存取 各主站间令牌传送，主站和从站间数据传送；支持单主和多主系统；主从设 备，总线上最多站数为1 2 6 个； ( 3 ) 基本功能 d p 主站和从站间的循环用户数据传送；各d p 从站的动态激活和撤销： d p 从站组态的检查；强大的诊断功能，三级诊断信息；输入或输出的同步； 通过总线给d p 从站赋予地址：通过总线给d p 主站( d p m l ) 进行配置：每 个d p 从站最大为1 4 6 字节的输入和输出数据； ( 4 ) 诊断功能 经过扩展的p r o f i b u s - d p 诊断功能可以对故障进行快速定位，诊断信息在 总线上传输并由主站收集，这些诊断信息可分为三种类型： a 、本站诊断操作诊断信息表示本站设备的一般操作状态，如温度过 高，电压过低等。 北京化：l = 大学硕士学位论文 b 、模块诊断操作诊断信息表示一个站点的某具体i o 模块出现故障 ( 如8 位的输出模块) 。 c 、通道诊断操作诊断信息表示一个单独的输入输出位的故障( 如输 出通道5 短路) 。 ( 5 ) 系统配置 p r o f i b u s d p 允许构成单主站或多主站系统